采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用

何富连，杨增强，魏 臻

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

巷道支护理论与技术

采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用

何富连，杨增强，魏 臻

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

针对某矿采区上山大巷群受回采工作面动压扰动应力影响，致使巷道围岩碎裂难以维护的问题，在围岩强弱结构机理分析的基础上，提出了锚喷注浆加强支护控制巷道围岩稳定性的方法。采用COMSOL Multiphysics有限元软件对影响浆液扩散的参数进行了模拟研究，并对注浆水泥浆液性能进行了实验室测试，提出采用水灰比为1.5∶1的超细水泥浆液对巷道围岩进行分层次耦合注浆加固的方法。现场实测钻孔窥视和矿压观测结果表明：受工作面采动扰动影响煤层大巷群围岩的稳定性得到增强，研究成果为类似条件巷道围岩稳定性改善提供了一定的控制理论和借鉴方法。

煤层巷道；注浆；强弱结构；COMSOL Multiphysics；矿压观测

我国是煤炭生产和使用大国，煤矿开采过程中，主要以井工开采为主，每年井下新掘煤、岩巷道工程量很大[1-2]。煤层大巷较岩层大巷掘进速度快，经济成本低，在井工开采中占据重要地位，但也存在着围岩稳定性差，支护困难等问题。尤其服务于采区的大巷，需要较长的服务年限且受到工作面回采动压扰动影响，导致围岩强度较弱的煤层巷道受力复杂[3]，给煤层中巷道的掘进和维护带来了棘手的安全难题。

在巷道围岩控制方面，锚网索支护一直起到至关重要的作用，其能够有效地强化围岩，但对于围岩条件碎裂的煤巷来说[4-5]，只依靠锚网索支护很难使其在采动扰动影响下维持巷道围岩长久稳定。注浆技术能够很好地胶结碎裂围岩，提高围岩的完整性，但是目前我国尚未制定统一的技术规范，注浆理论还不成熟，注浆参数的确定往往需要依靠工程经验和现场试验，注浆技术中仍然存在许多需要研究的问题[6-8]。

本文结合某矿具体地质条件，通过现场大巷群破坏情况，在理论分析的基础上，提出了注浆加固在巷道周围形成强弱围岩结构[9]，并应用COMSOL数值模拟及实验室实测浆液性能，结合现场工业性试验对该方案的有效性进行了效果检验，旨在对受采动等动压影响的煤层大巷围岩稳定性改善提供一定的控制理论和现场指导方法。

1 地质概况

某矿北风井东翼采区5条上山煤层大巷呈东西方向布置，大巷从北向南依次为：1号回风大巷、辅助运输大巷、胶带大巷、进风大巷和2号回风大巷，巷道群布置方式见图1。

图1 N2105工作面与大巷布置平面

煤层大巷群所处煤层厚度6.25m，平均埋深576m，平均倾角+4°，煤层上部为半亮型，内生裂隙发育，较为脆硬，煤层下部为褐黑色，为粉状煤，较为松软。3号煤层整体结构复杂，内生裂隙发育。基本顶以细粒砂岩为主，平均厚度4.3m，直接顶为泥岩，平均厚度2.63m，直接底为泥岩，平均厚度2.3m，老底为细粒砂岩，平均厚度3.4m。大巷群沿3号煤层底板掘进，巷道宽4.8m，高4.0m，各条煤层大巷间留设煤柱宽度30m，属密集巷道群布置。

该矿北风井东翼采区工作面回采期间，服务于采区的煤层巷道群易受到工作面回采动压的影响，且随着工作面向停采线位置推进，动压影响程度急剧增加。N2105工作面上采区回采期间，受采动影响的巷道群内多处出现围岩变形、巷道断面收缩严重的情况，且巷道内多处出现锚杆、锚索断裂，局部严重地区甚至出现大面积锚网索支护失效，引起冒顶和片帮等事故。上采区工作面回采结束后上山巷道群破坏情况见表1。

表1 东翼采区巷道群变形破坏情况

从现场调研结果来看，上采区工作面回采结束后，辅助运输大巷顶板来压显现、顶底板及两帮位移收敛情况最为严重，且随着大巷与停采线之间距离增大，巷道受采动影响情况逐渐变弱，大巷群中最南边外侧的2号回风大巷破坏情况最小。

图2为大巷群顶板1.5m处钻孔窥视情况，由窥视结果可知，不同煤层大巷与工作面停采线相对位置不同，巷道顶板浅部岩层离层破碎情况也不尽相同。辅助运输大巷可能处于超前应力峰值影响范围内，破碎最为严重，1号回风大巷在工作面回采过程中受到峰值应力影响，破碎相对也较严重，胶带大巷、进风大巷和2号回风大巷离层破碎情况逐渐减轻，2号回风大巷顶板岩层完整性较好。

图2 大巷群顶板1.5m处钻孔窥视

2 注浆加固强弱结构机理

2.1 煤层大巷注浆加固技术

锚网索联合支护作为该矿最常用及主要的支护手段，在巷道掘进和修复加固中扮演着重要的角色。通过锚网索联合支护方式，可以对巷道浅部破碎围岩进行加固，提高其残余强度，进而抑制巷道塑性区的进一步扩展。

针对煤层大巷群围岩松软破碎，浅部围岩离层破碎情况严重，只依靠锚网索联合支护方式很难满足巷道服务年限长的要求，因此，提出了分层次耦合注浆加固技术，即利用长度不同的注浆管，对巷道围岩浅部破碎严重的岩体进行重点注浆加固。具体操作步骤：先对巷道进行围岩喷浆封闭，喷浆厚度50～80mm；再布置密集度较高的注浆管对围岩进行低压浅孔注浆，孔深1.5m，使得浅部松软破碎严重的围岩胶结而封闭浅部围岩中存在的大量裂隙通道，大大提升浅部围岩自承能力的同时形成密实的止浆屏蔽壳，为深层次的注浆创造高压条件。孔深2.6m深孔注浆加固时，采用相对较高的压力进行承压注浆，浅部1.5m范围内注浆形成的止浆屏蔽壳能有效防止深部注浆时浆液外漏，同时较高的压力值使得浆液能很好地充填胶结深部围岩中存在的微小裂隙。分层次耦合注浆加固可以实现巷道围岩浅部较大的裂隙群和深部微小裂隙群的充填胶结，有效地提高围岩黏聚力C和内摩擦角φ值，进而提高松软破碎围岩的强度和刚度，使得围岩原有的弱结构区转化为强度较高、完整性好的强结构区。分层次耦合注浆加固围岩使得浆液固结体和围岩之间达到强度、刚度以及变形上的耦合，进而改善围岩的维护状况，如图3所示。

1—弹塑性区；2—深部加固区；3—浅部加固区；4—深孔注浆管；5—浅孔注浆管；6—喷浆封闭层图3 分层次耦合注浆加固模型[10-11]

2.2 巷道围岩强弱结构控制机理

在锚网索联合支护的基础上进行锚喷和注浆加固，能够在巷道浅部围岩中形成小范围完整性好的强结构区，此区域与原岩应力区之间的弹塑性过渡区域可视为弱结果区域，原岩应力区可视为大范围的强结构区域，其结构模型如图4所示。

图4 强弱结构模型机理[12-13]

由图4可知，受工作面回采剧烈采动扰动影响期间，大巷围岩外强大结构区中的震动源产生的扰动应力波向巷道自由空间传播，由于弹塑性过渡弱结构区的存在，原有应力曲线KMN在弱强结构交界表面处发生反射和透射现象，部分应力波被发射(图4中FC应力曲线)，而透射进入大巷周围内强小结构中的应力强度大大减弱(图4中STH应力曲线)，即原有扰动应力曲线KMN转变为KM+STH。且内强小结构承载能力的提升，大大提高了其对剧烈采动扰动应力和巷帮集中应力叠加的抵抗能力，从而有效地实现了大巷围岩的稳定性。

3 注浆加固浆液性能研究

3.1 浆液扩散规律模拟

注浆浆液的扩散规律与浆液水灰比、围岩裂隙张开度以及注浆压力有关，在此采用COMSOL Multiphysics软件模拟浆液在单一光滑平板裂隙中渗透扩散距离与注浆压力、浆液粘度、裂隙张开度之间的定性关系，并分析浆液扩散不同位置渗透压力的变化规律。采用1000mm×1000mm×4mm大小的模型，模型材料选用软件自带的单一光滑平板模型，注浆孔直径为 10mm，布置在模型中心，采用三角形网格划分模型，注浆孔边缘网格自动加密。

3.1.1 水灰比对浆液扩散渗透影响研究

数值模拟模型注浆压力取值10Pa，当裂隙张开度为1.5mm时，水灰比分别为0.8∶1，1∶1，1.5∶1和2∶1这4种情况下浆液随时间的扩散情况如图5所示。

图5 不同水灰比浆液扩散距离随时间变化情况

从图5可知，浆液水灰比从0.8∶1→2∶1逐次增加时，同一注浆时刻浆液扩散距离随之增加，但当水灰比为2∶1时，扩散有效距离增量与水灰比为1.5∶1时相比较小，验证了浆液水灰比在1.5∶1左右时性能较优越的结论。

3.1.2 渗透压力变化规律

图6显示了在不同水灰比下渗透压力随浆液扩散有效距离变化规律。浆液渗透扩散过程中受粘滞阻力及裂隙摩擦阻力等影响，其渗透压力逐渐被消耗，所以浆液渗透压力随浆液扩散有效范围的不断变大呈一定规律减小。

图6 不同水灰比渗透压力随浆液扩散距离变化

渗透压力在距离注浆孔附近递减速率较大，当浆液扩散到一定程度时，渗透压力减小趋于缓慢且此时渗透压力较小。渗透压力随着水灰比的增加而缓慢变化，但水灰比对其影响总体不大。

3.1.3 裂隙张开度对浆液扩散渗透影响

被注浆岩体裂隙几何特性对浆液扩散也起到至关重要的作用，在模拟裂隙张开度对浆液渗透扩散规律影响时，注浆压力选10Pa，浆液粘度选27.5mPa·s(浆液水灰比为1.5∶1)。裂隙张开度从1mm到4mm，浆液扩散规律每隔10s监测1次，得到如图7所示的在不同裂隙张开度下浆液扩散距离随时间变化曲线。

图7 不同裂隙张开度下浆液扩散距离随时间变化情况

通过图7可知，不同裂隙张开度下浆液有效扩散范围都随注浆时间延长而变大。裂隙张开度对浆液最终有效范围改变较明显，在裂隙值为4mm时浆液70s时的渗透扩散范围已经很大，可见浆液扩散范围对裂隙张开度十分敏感。

3.2 普通和超细水泥浆液基本性能

以水泥为主要原料，辅以一定量早强剂、速凝剂及其他附加剂，用水配比而成的水泥浆液，可以通过电子秤、量筒和旋转粘度计等工具进行基本性能测试，普通和超细水泥浆液的粘度、密度、凝结时间和结实率如表2、表3所示。

表2 普通水泥浆液基本性能

表3 超细水泥浆液基本性能

普通水泥粒径较大，粗颗粒相对较多，难以注入到张开度低于0.2mm的岩体裂隙或孔隙中，也无法对渗透系数低于5×10-4m/s的砂质地层进行灌注，注浆范围受到限制。超细水泥由普通水泥再加工磨细制成，超细水泥颗粒效应更小，浆液在裂隙中渗透扩散容易，且超细水泥本身可注性强、扩散距离更大，能很好地起到注浆效果。

由表2和表3可知，相同水灰比情况下，相比于普通水泥，超细水泥浆液密度大，粘滞阻力大，超细水泥凝结时间较短，结实率高，注浆后形成注浆结实体的稳定性更好，能很好地满足注浆要求。

针对煤层大巷群分层次耦合注浆加固破碎围岩，通过对注浆扩散规律进行模拟研究，并对普通和超细水泥浆液进行基本性能测试，确定现场采用水灰比为1.5∶1的超细水泥浆液进行围岩注浆加固。

4 工业性试验

4.1 锚喷注浆加固方案

该矿煤层大巷锚网索支护方案如图8所示。顶锚索材料为φ22mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度8300mm，锚固长度1500mm，锚索初次张拉力达300kN，预应力损失后达到250kN。帮锚索材料为φ22mm，高强度低松弛预应力钢绞线，长度5300mm，锚固长度1970mm，锚索初次张拉力达300kN，预应力损失后达到250kN。锚杆杆体为φ22mm左旋无纵筋螺纹钢钢筋，钢号为HRB500型，长度2400m，杆尾螺纹为M24，锚固长度为1000mm，锚杆扭矩为300N·m，锚固力200kN。

图8 煤层大巷支护断面

在巷道原有支护的基础上，通过在巷道表面喷浆形成表面封闭，喷浆层厚30～50mm，再往巷道顶板和两帮分别间隔打注浆锚杆，并安装浅孔注浆管(锚杆长1.5m，采用12.7mm钢管制成)和深孔注浆管(锚杆长2.6m，采用12.7mm钢管制成)；先通过各浅孔注浆管对巷道浅层破碎围岩裂隙进行注浆(水灰比1.5∶1)，当注浆压力达到约1.5MPa或巷道表层发生大量跑浆时，停止注浆；当注入巷道浅层破碎围岩的浆液终凝后，再通过深孔注浆管对巷道深部进行注浆(水灰比1.5∶1)，注浆压力达到约4.0MPa或巷道表层发生大量跑浆时，停止注浆，完成巷道分区域分层次耦合注浆。

4.2 效果检验

N2105工作面回采结束后，以辅助运输大巷为研究对象进行效果检验，钻孔不同深度注浆效果良好，浆液很好地填充于不同张开度的裂隙当中，见图9。

图9 巷道围岩不同深度注浆效果

注浆加固辅助运输大巷围岩后，在大巷中布置3个测站，对N2105工作面收尾阶段矿压进行观测，观测结果如图10所示。

图10 巷道表面变形-时间曲线

从观测结果可知，顶底板最大变形速度为10.3mm/d，最小为1.5mm/d，平均为5.3mm/d；两帮最大变形速度为20.6mm/d，最小为2.6mm/d，平均为5.7mm/d；工作面采动结束稳定后，顶底板最大变形速度为2.1mm/d，最小为0，平均为1.3mm/d；两帮最大变形速度为3.1mm/d，最小为0，平均为1.2mm/d。巷道两帮相对移近量最大不超过120mm，顶底板相对变形量最大不超过90mm，巷道断面最大收敛率控制在5%以内，可知加强支护可以有效控制巷道围岩稳定性，巷道围岩变形控制效果良好，从而有效地降低巷道受采动扰动影响发生灾害事故。

5 结 论

(1)对煤层大巷进行锚喷注浆加强支护，能够在巷道围岩中形成内强弱结构，并从机理上分析了强弱结构对工作面采动引起的扰动应力波有很好的散射和吸收作用。

(2)使用COMSOL有限元软件对浆液扩散规律进行了模拟研究，得知浆液水灰比在1.5∶1左右时性能较优越，渗透压力变化对浆液渗透扩散影响不大，渗透扩散对裂隙张开度较敏感。

(3)通过对普通和超细水泥浆液2种注浆材料进行了粘度、密度、凝结时间和结实率等基本性能测试，确定现场采用性能较好的水灰比为1.5∶1的超细水泥浆液进行围岩分层次注浆加固。

(4)现场实施锚喷注浆加固支护方案后，通过钻孔窥视以及表面位移监测验证了受工作面采动扰动影响期间，该方案能够有效地控制巷道围岩稳定性，进而有效地减少巷道灾害事故的发生。

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[责任编辑：姜鹏飞]

Optimal Studying of Grouting Reinforcement of Broken Coal Roadway Under Mining Influence

HE Fu-lian，YANG Zeng-qiang，WEI Zhen

(Resource and Safety Engineering School，China University of Mining Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to solve the problem of surrounding rock broken and difficulty maintain of raise roadway groups influenced by dynamic pressure of working face，based on mechanism analysis of surrounding rock weak and strength structure，surrounding rock stability control method of bolting and shotcreting grouting was put forward.Then the parameters that influenced grout diffusion were simulated by COMSOL Multiphysics finite element software，and cement grout performance was test in laboratory，then different level coupling grouting reinforcement method with water cement ratio superfine cement grout was put forward.The results showed that coal seam roadway surrounding rock stability was strengthened，the results references for similar situation.

coal seam roadway，grouting，strength and weak structure，COMSOL Multiphysics，mine pressure supervise

2016-07-01

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.012

国家自然科学基金重点资助项目( 51234005，51504259)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( 2010QZ06)

何富连(1966-)，男，浙江临海人，教授，博士生导师，主要从事资源开采理论与技术、矿山压力与岩层控制、安全技术及灾害防治等方面的研究。

何富连，杨增强，魏 臻.采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用[J].煤矿开采，2017，22(1)：52-54，72.

TD353

A

1006-6225(2017)01-0050-05